可攜式消費性電子設備的發(fā)展趨勢是性能不斷提高、功能不斷增加，但電池每次充電後的供電時(shí)間卻越來(lái)越長(cháng)。隨著(zhù)可攜式電子產(chǎn)品功能不斷增加，對電池的容量要求也不斷提高。鋰離子電池的高電壓、高容量、長(cháng)壽命和免維護等特性使之成為各類(lèi)可攜式電子設備的理想選擇。除常規的4.2V充電電壓和1C的充放電速率之外，鋰離子電池中採用的一些新技術(shù)要求不同的充電電壓並提供更高的充電速率。 

本文將討論有關(guān)鋰離子電池的一些潛在發(fā)展趨勢，並介紹可攜式產(chǎn)品設計師如何利用受微控制器(MCU)控制的脈衝寬度調變(PWM)，或是基於單獨的整合式電池充電管理控制器方案開(kāi)發(fā)靈活的鋰離子電池充電管理系統，以克服這些挑戰。 

可攜式設備供電設計挑戰 

採用鋰離子電池的可攜式設備供電設計面臨的挑戰包括供電安全、電池化學(xué)特性、可用空間和所需性能等�？蓴y式產(chǎn)品設計師在決策時(shí)必須傾其所有知識和經(jīng)驗來(lái)克服每個(gè)可能出現的難題。對於可重複充電的鋰離子電池來(lái)說(shuō)，還必須考慮充電/放電速率、壽命週期、維護和充電演算法。為了實(shí)現每次充電後電池容量的最大化，充電電壓調節精密度非常重要。如圖1所示，欠充0.6%的電池會(huì )導致5%的容量損失。但是又不能過(guò)充電，因為這是極其危險的。某些電池生產(chǎn)商，例如日本松下公司，建議將4.2V的電池充電到4.1V，以延長(cháng)其在電能備份應用中的壽命。 

圖1：鋰離子電池的容量損失與欠充電壓的關(guān)係。 

產(chǎn)品所面臨的挑戰通常與上市時(shí)間、總體系統成本以及可靠性有關(guān)。其中上市時(shí)間對絕大多數消費性產(chǎn)品來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵，因為產(chǎn)品的生命週期很短。今天，廠(chǎng)商對市場(chǎng)的快速反應能力很重要。從概念到形成最終產(chǎn)品的時(shí)間越短，意味著(zhù)消耗的資源越少，並能透過(guò)節省設計時(shí)間來(lái)降低成本。不過(guò)，透過(guò)提高整合度來(lái)節省空間的解決方案，成本通常會(huì )比分離式解決方案高一些，但也並非全然如此。因此，若可折衷考量性能，那麼在設計產(chǎn)品時(shí)，應該將可靠性置於首位。 

MCU+PWM充電管理系統 

如果一款產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)較側重靈活度，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中可能作出修改，那麼這類(lèi)應用將很適合採用由MCU控制的PWM控制器電池充電管理系統。 

圖2為採用典型的單端初級電感轉換器(SEPIC)拓樸結構的多個(gè)電池單元、多種化學(xué)成分的充電管理系統，該系統包含了MCP1631高壓PWM(編MCP1631HV)和PIC12F683通用MCU。一些先進(jìn)的MCU可提供更多GPIO和ADC，以增加檢測和輸出狀態(tài)。SEPIC採用一種開(kāi)關(guān)型拓樸，可在輸入和輸出電壓差較大且電流較大時(shí)提供更高的效率和更低的功耗。例如，當工作在輸入電壓為9V、VBAT為4V、ICHARGE為1A時(shí)，常規的線(xiàn)性解決方案功耗是(9V-4V)x1A=5W，但效率為90%的開(kāi)關(guān)解決方案在同樣條件下功耗僅為4Wx(0.1/0.9)=.44W。對1/2瓦進(jìn)行散熱顯然要比對5瓦進(jìn)行散熱容易得多。下列等式為上述例子中線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)電源的運算方法。 

圖2：基於MCU+PWM控制器的典型多電池單元多化學(xué)材料充電管理應用電路。 

圖3是受MCU控制的PWM控制器採用恆流/恆壓(CC-CV)演算法，以1A充電速率為單節1,700mA鋰離子電池充電時(shí)的典型充電曲線(xiàn)。演算法開(kāi)始的前提條件是電池電壓是否低於預處理閾值。一旦超過(guò)預處理閾值，系統就進(jìn)入恆流充電階段，直到檢測到穩定的電壓。本例中充電結束值為200毫安。接下來(lái)系統繼續監測電池電壓，並在電壓低於再充電閾值時(shí)對電池進(jìn)行放電，因而有效限制充放電循環(huán)的次數，延長(cháng)電池使用壽命，同時(shí)使電壓保持在安全水準。 

圖3：具有CC/CV演算法充電曲線(xiàn)的MCU+PWM控制器。 

獨立IC充電管理系統 

設計師選用全整合單晶片電池管理系統的主要原因在於其體積小、成本低，且設計時(shí)間/工作量/資源最小。獨立的鋰離子電池充電IC，特別是用於線(xiàn)性拓樸的IC，只需要SMD電容器來(lái)保持AC穩定，並在沒(méi)有電池負載時(shí)提供補償。因此採用整合解決方案所需的PCB空間較小，相關(guān)零組件數量也最少。圖4是在作為獨立電池充電器使用時(shí)，一個(gè)全整合電池管理控制器的典型應用電路。 

圖4：典型的獨立充電管理控制器應用電路。 

由於在IC中置入了充電演算法和事務(wù)管理電路，因而不再需要其他韌體，可直接進(jìn)行設計。半導體公司通常會(huì )以詳盡的數據手冊和應用指南來(lái)提供良好的產(chǎn)品支援，幫助設計師將電池充電IC植入系統。這樣做不僅加速了產(chǎn)品上市時(shí)間，而且還透過(guò)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和取消軟體開(kāi)發(fā)工作降低了成本。不過(guò)，靈活度不夠是這種獨立的充電管理IC在如今快速變化的電池領(lǐng)域中所面臨的主要問(wèn)題。 

克服挑戰 

充電電池的額定電壓和充電電壓取決於其化學(xué)材料。電池陽(yáng)極和陰極所用化學(xué)材料的不同決定了電池電壓和其他相關(guān)特性，例如能量密度、內阻等。例如，電池製造商對鈷和錳鋰離子電池推薦的充電電壓為4.2V，而對磷酸鹽鋰電的推薦充電電壓為3.6V。雖然磷酸鹽鋰離子電池可用較高的穩定電壓充電，使得每次充電後能有最大的電能，但代價(jià)是電池壽命將縮短。 

由微控制器管理的系統可以方便地修改電壓穩定機制、預處理閾值電壓、最大的充電電流和其他參數，而且所有這些功能都無(wú)需改變硬體即可實(shí)現。透過(guò)適當地更新韌體和一些不重要的硬體，該系統很容易適用於Ni-MH、Ni-Cd密封鉛酸(SLA)以及其他化學(xué)材料的電池。MCU可以使其他系統具備智慧化，這對可攜式設備很有益處，如系統監視和提供輸出訊號、認證與通訊等，可有效防止最終用戶(hù)使用劣質(zhì)電池。 

由於缺乏靈活性，使得整合系統很難與MCU+PWM的充電管理方案競爭。通常IC設計公司和半導體製造商透過(guò)提供不同的預置電壓、可選的或可編程的電流(預處理電流、充電電流和結束電流)，以及採用外部電阻和電容器編程某些參數來(lái)解決這些問(wèn)題。通常，充電管理IC採用電池製造商所建議的CC-CV充電演算法。安全定時(shí)器也是可編程的，或是可選擇的。當安全定時(shí)器在充電結束之前溢出時(shí)，系統會(huì )增加一個(gè)故障標誌或者切斷。安全定時(shí)器可用來(lái)防止鋰離子電池由於過(guò)充電而產(chǎn)生危險，並能識別‘死’電池。例如對一個(gè)性能良好的鋰離子電池來(lái)說(shuō)，在加上一個(gè)適當的電壓後，它會(huì )在較短的時(shí)間內進(jìn)入恆流充電狀態(tài)。如果在預處理期間安全定時(shí)器產(chǎn)生溢出，電池很可能需要更換了。 

圖5：全整合獨立充電器IC的典型充電曲線(xiàn)。 

圖5為一個(gè)典型獨立線(xiàn)性鋰離子電池充電管理控制器的完整充電過(guò)程。所需的總充電時(shí)間將根據結束充電選項的不同而有所差異。在每個(gè)充電過(guò)程的開(kāi)始，若內部功耗過(guò)高，熱反饋將調節元件溫度。當元件溫度低於最大值時(shí)，恆流模式將恢復到最大編程值，提高了充電器的可靠性和安全性。這種作法的代價(jià)是整個(gè)充電週期略有增加。比較圖3和圖5，熱調節功能實(shí)際上只是使整個(gè)充電過(guò)程延長(cháng)了約7分鐘，這在多數應用中是微不足道的，因為整個(gè)充電週期約為3小時(shí)。 

表1：MCU+PWM控制器與獨立充電器IC的比較。 

本文小結 

完全整合的IC可協(xié)助設計師快速且低成本地實(shí)現電池充電功能。但是，這些標準的元件無(wú)法滿(mǎn)足所有可攜式元件設計和設計師的需求。產(chǎn)品設計師通常很難找到能夠滿(mǎn)足所有設計要求的電池充電解決方案。電池充電管理控制器IC通常是針對一般性應用，而非針對特殊應用所設計。一些製造商試圖提供單晶片解決方案，但與這些方案有關(guān)的內建演算法非常昂貴。對高階電池充電管理系統或電池化學(xué)材料可能隨著(zhù)產(chǎn)品的演進(jìn)而變更的設計來(lái)說(shuō)，基於MCU+PWM控制器的系統是理想的解決方案。